Почему дерево в воде не тонет - физика плавучести

Дерево в воде не тонет - удивительный факт, который знаком каждому с детства. Но мало кто задумывается, почему так происходит. Давайте разберемся в физических принципах, объясняющих это явление.

Основы гидростатики и плавучести

Чтобы объяснить, почему дерево в воде не тонет, нужно обратиться к основам гидростатики - раздела физики, который изучает законы равновесия и движения жидкостей.

Плотность

Плотность - это физическая величина, равная отношению массы тела к его объему. Обозначается греческой буквой ρ (ро):

ρ = m/V

где:

• ρ - плотность, кг/м3
• m - масса тела, кг
• V - объем тела, м3

Например, плотность воды при температуре 4°С равна 1000 кг/м3. А плотность древесины сосны в среднем составляет 500 кг/м3.

Закон Архимеда

Согласно закону Архимеда, на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости. Математически это можно записать так:

F_а = ρ_ж * g * V

где:

• F_а - сила Архимеда, Н
• ρ_ж - плотность жидкости, кг/м3
• g - ускорение свободного падения, м/с2
• V - объем погруженной части тела, м3

Таким образом, чем больше объем тела, тем больше на него действует выталкивающая сила.

Плавучесть тела

Если выталкивающая сила больше силы тяжести тела, то тело всплывает. Если меньше - тонет. А если равны - тело зависает в жидкости.

Можно определить, будет тело тонуть, всплывать или зависать по его плотности относительно жидкости:

• Если плотность тела больше плотности жидкости - оно тонет
• Если плотность тела меньше плотности жидкости - оно всплывает
• Если плотности равны - тело зависает в жидкости

Поэтому дерево, имея меньшую плотность чем вода, не тонет.

Свойства и строение древесины

Чтобы понять, откуда берется низкая плотность древесины, давайте разберемся, из чего она состоит и как устроена.

Химический состав

Основными химическими веществами, входящими в состав древесины, являются:

• Целлюлоза (до 50%) - полисахарид, основа всех растительных клеток
• Лигнин (до 30%) - аморфный полимер, заполняющий межклеточное пространство
• Гемицеллюлоза (до 20%) - полисахарид, связывающий целлюлозные волокна

Кроме того, в древесине содержатся экстрактивные вещества и минеральные соли.

Клеточное строение

Основная структурная единица древесины - это клетки. Стенки клеток состоят из плотной целлюлозы, а пространство между клетками заполнено пористым лигнином.

Из-за такого клеточного строения древесина имеет большое количество пустот. Эти пустоты и обеспечивают ее невысокую среднюю плотность по сравнению с водой или сплошными материалами.

Почему дерево в воде не тонет? Потому что, благодаря множеству воздушных полостей внутри, средняя плотность древесины оказывается меньше плотности воды.

Плотность разных пород дерева

Плотность древесины может варьироваться в зависимости от породы дерева. Например:

Как видно из таблицы, все перечисленные породы имеют плотность меньше 1000 кг/м3 - плотности воды.

Как древесина впитывает воду

Хотя свежесрубленная древесина не тонет в воде, со временем она начинает впитывать влагу. Вода проникает внутрь через полости клеток. В результате плотность дерева увеличивается, и оно может погрузиться под воду - превратившись в "топляк".

Чтобы этого не происходило, торцы бревен перед транспортировкой по воде смазывают водоотталкивающими составами - дегтем, гудроном.

Виды древесины и их свойства

Помимо различий по породам, древесину классифицируют на виды в зависимости от плотности и твердости:

• Мягкая древесина - хвоя, лиственница, сосна, ель
• Твердая древесина - дуб, бук, ясень, клен
• Особо твердая древесина - граб, вяз, береза, ольха

Как правило, чем тверже и плотнее древесина, тем сложнее ее обработка и выше цена. Например, дуб стоит дороже сосны или ели.

"Железные" деревья с плотностью выше воды

Хотя большинство древесных пород имеют плотность меньше 1000 кг/м3, существуют так называемые "железные" деревья, чья плотность превышает плотность воды. К таким породам относятся:

• Граб - плотность 1050 кг/м3
• Палисандр - 1200 кг/м3
• Эбеновое дерево - 1350 кг/м3

Из-за высокой плотности древесина этих пород тонет в воде. Зато она очень прочная и используется для изготовления элитной мебели и музыкальных инструментов.

Свойства древесины и влажность

Помимо химического состава и структуры, на свойства древесины большое влияние оказывает влажность. При увеличении влажности:

• Уменьшается прочность древесины
• Повышается ее плотность
• Увеличивается усадка и коробление при высыхании

Поэтому перед использованием древесину подсушивают до оптимальной влажности 10-15%. А готовые изделия хранят в сухих условиях.

Защита и обработка поверхности

Для уменьшения впитывания влаги поверхность деревянных изделий обрабатывают защитными составами:

• Масла - льняное, тунговое
• Воски - пчелиный, карнаубский
• Лаки и краски на водной или масляной основе

Такая обработка позволяет сохранить естественную красоту дерева и продлить срок службы изделий.